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深部喷注发酵罐(喷环式好氧发酵罐)的详细说明及氧传递方程式

编辑:发酵罐 时间:2017-12-04 09:57
深部喷注发酵罐是已开发成功并在柠檬酸生产中推广应用的喷环式好氧发酵罐,本技术突破了传统的通用式发酵罐的传质机理和设计技术,具有增产、节能、降耗的显著效果。氧气由气相扩散至细胞内部总的推动力为饱和氧浓度与发酵液中氧浓度之差, 信息摘要:
深部喷注 发酵罐 先容: 深部喷注 发酵 罐是已开发成功并在柠檬酸生产中推广应用的喷环式好氧发酵罐,本技术突破了传统的通用式发酵罐的传质机理和设计技术,具有增产、节能、降耗的显著效果。 众所周知,柠檬酸发酵是黑

深部喷注发酵罐(喷环式好氧发酵罐)的详细说明及氧传递方程式

发酵罐罐体加工中的传动结构设计

 

1、发酵罐的传动结构

过外生产规模的发酵罐大都采用底伸式搅拌轴,已有多年的历史。部分工厂的165吨罐还有顶伸式搅拌轴的结构,与相仿,但其传动方式均为变速电动机通过齿轮箱直接传动,其变速方式初为二次液体变速器,功率可达450kw,投资较低;目前以变阻变频法为多,投资稍高,控制较为方便。

都可根据发酵过程的溶氧需要而随时调整转速,可以稳定产量、降低能耗。而长期以来仍然停留在齿轮减速机与皮带轮的组合结构,罐顶负荷重、车间噪音大,功耗也较高,80年代以来,变频调速己在中小型罐上开始应用,大型罐尚未有进展。

此外,过外的底伸式搅拌轴结构的传动方式,有的还考虑到料液重量参数自动检测的需要,对减速装置进行特殊设计,使安装在三只罐体支座的压力传感器称得的重量,仅为料液与传动系统轴承以上的罐体部分的重量,保证了重量参数检测的需要和精度。

2、发酵罐的罐体加工

有关罐体制造材料,过外对于小型罐,不锈钢储罐,历来都是选用316L不锈钢、中型罐为304不锈钢,而大型罐通常均选相应的复合不锈钢板材,内外的光洁度都有定要求。

有关换热方式,过外早已采用缠绕式半管或角钢焊接组成换热盘管结构,既提高传热系数,又简化罐内亢杂的盘管结构,还可以节约钢材、减少污染机会。生产规模的发酵罐,由于材料供应、节约造价等历史原因,以碳素钢板为主,缠绕式换热结构仅有个别单位开始掌握,有待普及

 

深部喷注发酵罐(喷环式好氧发酵罐)的详细说明及氧传递方程式

深部喷注发酵罐先容:

深部喷注发酵罐是已开发成功并在柠檬酸生产中推广应用的喷环式好氧发酵罐,本技术突破了传统的通用式发酵罐的传质机理和设计技术,具有增产、节能、降耗的显著效果。

众所周知,柠檬酸发酵是黑曲酶素代谢过程失调的种特殊过程,这种失调来源于营养条件(原材料的质量、数量),环境条件(生产工艺条件和设备的合理性)以及细胞化学组成、结构和酶系的系列复杂变化,在这复杂的生化反应过程中,通气和搅拌是整个柠檬酸发酵过程中的两个重要参数,它不仅影响到溶氧水平,而且影响到发酵体系的传质和菌体的形态,终必将影响到产酸水平。

深部喷注发酵罐机理与特性众所周知,深部喷注发酵是黑曲酶素代谢过程失调的种特殊过程,这种失调来源于营养条件(原材料的质量、数量),环境条件(生产工艺条件和设备的合理性)以及细胞化学组成、结构和酶系的系列复杂变化,在这复杂的生化反应过程中,通气和搅拌是整个深部喷注发酵过程中的两个重要参数,它不仅影响到溶氧水平,而且影响到发酵体系的传质和菌体的形态,终必将影响到产酸水平。

由于深部喷注菌体是好氧性微生物,在其菌体生长发育和生物合成过程中需要氧,菌体长得愈旺盛,氧的需要量就愈大,但氧气是难溶于水的。

氧气由气相扩散至细胞内部总的推动力为饱和氧浓度与发酵液中氧浓度之差,主要阻力为液膜阻力,因此,氧在扩散过程中属于液膜控制,氧的传递方程式为:KLa(C0-C1)=r式中KL——总传质系数m/ha——气、液二相接触比表面积(即单位液体中气泡的总面积)m2/m3C0——饱和氧浓度mM/lC1——发酵液中氧浓度mM/lr——摄氧率mM/l.h可见,单位发酵液体积中的所有细胞在单位时间内的耗氧量(摄氧率)与传质系数,气、液比表面积,饱和氧浓度和发酵液中氧浓度密切相关。

而容量传质系数KLa与发酵罐的通气、搅拌和发酵液粘度有关,其关系方程式为:KLa=k[(P/V)α(VS)β(ηapp)-W]式中K—系数P/V——发酵液消耗功率KW/m3VS——空气线速度m/hηapp——发酵液粘度μ.106αβW——与空气分布器、搅拌器型式有关的指数显然,若要提高氧的传统递系数,必将提高搅拌功率和增加通气量。

对于搅拌功率P,它与发酵液的动压头H、翻动量Q和重度r有关,可视为:P=HRQ≈HQ般说来,增加动压头有利于气泡的粉碎,增大翻动量有利于气、液二相的混合,欲同时增大H、Q值,势必相应增加搅拌功率。

同样,提高容量传质系数必须增大气、液二相的接触比表面积a,这又取决于气泡的粉碎程度。

当单个气泡的直径dB>0.006m时,其气泡直径与上升速度的关系方程为:VB=5dB+0.2式中VB——气泡上升速度m/sdB——气泡直径m可见减小气泡直径,有利于气、液二相比表面积的增加、接触时间的增长和容量传质系数的提高。

然而当今传统的通用式发酵罐所采用的任何通气装置,其气泡直径随着通气量的增大而增大,气泡上升速度也随之增大;气泡粉碎程度却并不随着搅拌转速的增加而增大,它只能维持在同个数量上。

因此,增大通气量和增加搅拌功率对容量传质系数不仅不可能有较大幅度的提高,相反将导致大量能源的消耗和产品成本的提高。

喷环式好氧发酵罐基于上述反应机理基础上,罐底设置气——液型喷射混合搅拌装置和环流反应器,气——液型喷射器是该装置中的关键部件,其结构型式和流动模型如图1所示。

当通入发酵罐内压力为P1的压缩空气PP从收缩型喷组喷出,在其静压能转换为速度能的同时,使喷射器吸入口的压力降低到P1,在压缩空气的喷射作用下,将重度为r1的发酵液VL吸入并随空气并进入喷射器扩散管,在扩散管喉部,气、液二相由初步的混合发展为激烈的混合震荡并产生气体动力沫化和压力沫化,使发酵液和空气被粉碎成大量的微小粒群,造就气液间个高度湍动、扩展且表面不断更新的乳化界面,试验表明:气泡直径随着通气量VP的增大或喷咀推动力(PP-P1)的增加而减小

以后随着扩散管扩张断面的增大,流速下降,静压能得以逐步恢复,依靠喷射器扩散管出、入口处的压力差(P2-P1)和重度差(r1-r2),并借助于喷射器的切线布置结构,使气液二相混合物产生与机械搅拌器旋转方向致的径向全循环的喷射旋流运动。

尔后进入环流反应器,依靠导流筒内、外气液混合物的重度差和静压力差,再次实现气液混合物的轴向环流运动,以增长气液二相的接触时间,纵观全床,球型小气泡群似蜂窝状向上浮动,在上浮过程中,气泡之间因互相碰撞、合并,直径增大,当气泡上升到与机械搅拌器相遇时,被再次粉碎并随发酵液混合翻动,从液面逸出经排气口排出。

显然,深部喷注发酵罐在生化反应过程中具有深层乳化操作,全床产生小气泡群与高气含率的传质特点和气液二相混合物径、轴向流的流动特性。

由于柠檬酸菌体是好氧性微生物,在其菌体生长发育和生物合成过程中需要氧,菌体长得愈旺盛,氧的需要量就愈大,但氧气是难溶于水的。氧气由气相扩散至细胞内部总的推动力为饱和氧浓度与发酵液中氧浓度之差,钱贵111娱乐的主要阻力为液膜阻力,因此,氧在扩散过程中属于液膜控制,氧的传递方程式为:

KLa(C0-C1)=r

式中

KL——总传质系数 m/h

a——气、液二相接触比表面积(即单位液体中气泡的总面积)m2/m3

C0——饱和氧浓度mM/l

C1——发酵液中氧浓度 mM/l

r——摄氧率 mM/l.h

可见,单位发酵液体积中的所有细胞在单位时间内的耗氧量(摄氧率)与传质系数,气、液比表面积,饱和氧浓度和发酵液中氧浓度密切相关。而容量传质系数KLa与发酵罐的通气、搅拌和发酵液粘度有关,其关系方程式为:

KLa=k[(P/V)α(VS)β(ηapp)-W]

式中

K—系数

P/V——发酵液消耗功率KW/m3

VS——空气线速度 m/h

ηapp——发酵液粘度 μ.106

αβW——与空气分布器、搅拌器型式有关的指数

显然,若要提高氧的传统递系数,必将提高搅拌功率和增加通气量。对于搅拌功率P,它与发酵液的动压头H、翻动量Q和重度r有关,可视为:

P=HRQ≈HQ

般说来,增加动压头有利于气泡的粉碎,增大翻动量有利于气、液二相的混合,欲同时增大H、Q值,势必相应增加搅拌功率。同样,提高容量传质系数必须增大气、液二相的接触比表面积a,这又取决于气泡的粉碎程度。当单个气泡的直径dB>0.006m时,其气泡直径与上升速度的关系方程为:

VB=5dB+0.2

式中

VB——气泡上升速度 m/s 

dB——气泡直径 m 

可见减小气泡直径,有利于气、液二相比表面积的增加、接触时间的增长和容量传质系数的提高。然而当今传统的通用式发酵罐所采用的任何通气装置,其气泡直径随着通气量的增大而增大,气泡上升速度也随之增大;气泡粉碎程度却并不随着搅拌转速的增加而增大,它只能维持在同个数量上。因此,增大通气量和增加搅拌功率对容量传质系数不仅不可能有较大幅度的提高,相反将导致大量能源的消耗和产品成本的提高。

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